波長可変半導体レーザ
【課題】選択成長時のマスク近傍における屈折率変化の揺らぎに起因する意図しない位相シフトを低減し、特性劣化を防止することを可能とした波長可変半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板１１上に形成された活性導波路層１２の一部をエッチングし、活性導波路層１２とは組成または層構造が異なる非活性導波路層１３を選択成長することによって作製された二つのレーザ部Ａ１，Ａ２を有し、活性導波路層１２及び非活性導波路層１３の全長にわたって回折格子１５が形成され、選択成長時に生じる活性導波路層１２と非活性導波路層１３との間の屈折率変動に起因する−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との接合面に対応する回折格子１５の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入した。
【解決手段】半導体基板１１上に形成された活性導波路層１２の一部をエッチングし、活性導波路層１２とは組成または層構造が異なる非活性導波路層１３を選択成長することによって作製された二つのレーザ部Ａ１，Ａ２を有し、活性導波路層１２及び非活性導波路層１３の全長にわたって回折格子１５が形成され、選択成長時に生じる活性導波路層１２と非活性導波路層１３との間の屈折率変動に起因する−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との接合面に対応する回折格子１５の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信における波長多重通信方式では、異なる周波数（波長）の複数のレーザ光を規格で定められた間隔で一つの光ファイバを用いて伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。
【０００３】
通信用の波長可変半導体レーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るために、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子周期Λと光導波路の等価屈折率ｎとから得られるブラッグ波長λBで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）となる。ここで、ブラッグ波長λBと回折格子周期Λ及び光導波路の等価屈折率ｎとの関係式は、
λB＝２ｎΛ （１）
となる。また、分布反射器に利得を持たせて作成した波長可変半導体レーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ぶ。
【０００４】
式（１）から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長λBを変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率ｎの変化により発振波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変半導体レーザとしては、均一な回折格子の分布反射器を用いた分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や、周期的に回折格子を設けるなどの方法で複数の反射ピークをもつ分布反射器を用いたＳＧ(Sampled Grating)-ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating)-ＤＢＲレーザなどが知られている。
【０００５】
また、連続的に波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザとしては、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ-ＤＦＢレーザ）がある。図８は従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本的な構造を示す断面図である。この分布活性ＤＦＢレーザは、図８に示すように、下部クラッド層１上に、長さＬaの活性導波路層２と、活性導波路層２とは組成の異なる長さＬtの非活性導波路層（波長制御層）３が交互に周期的に接続されている。これら活性導波路層２及び非活性導波路層３の上と、上部クラッド層４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子５が形成されている。上部クラッド４の上には、それぞれ活性導波路層２、非活性導波路層３に対応するように電極７，８が形成されている。基板下部に共通の電極９を形成する一方、基板上部に形成される電極７，８は、活性導波路層２の領域と非活性導波路層３の領域とで分離されている。なお、活性導波路層２の電極７同士、非活性導波路層３の電極８同士は素子上で短絡されている。
【０００６】
このように、分布活性ＤＦＢレーザは光の伝播方向に沿って活性導波路層２と非活性導波路層３が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層２への電流Ｉaの注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路層２，３には回折格子５が形成されており、回折格子５の周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層３への電流Ｉtの注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層３の回折格子５の光学的な周期は変化する。非活性導波路層３の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性導波路層２の光の伝播方向に沿った活性領域長をＬa、非活性導波路層３の光の伝播方向に沿った波長制御領域長をＬtとすれば、繰り返し構造の１周期の長さＬはＬt＋Ｌaとなり、共振縦モード波長λrの変化の割合Δλr／λrは、
Δλr ／λr ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ） （２）
となる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長λsの変化の割合Δλs ／λs は、
Δλs ／λs ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ） （３）
となる。式（２），式（３）より、反射ピーク波長λsと共振縦モード波長λrとは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。ただし、図８の構造の場合、連続的に同一周期で回折格子５が形成されているため、もともと発振の位相条件を満たす波長が反射ピーク波長とはずれており、単一モード性が悪い。単一モード特性を高めるためには、共振器の中央部付近に、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（λ／４）を入れるなどする必要がある。
【０００８】
特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザも、下部クラッド上に、活性導波路層と非活性導波路層が交互に周期的に縦続接続されたものであり、それらの上に上部クラッドが形成されて、その上部クラッド上に、活性導波路層、非活性導波路層に対応する電極が形成されると共に、下部クラッドの下部に共通の電極が形成された構造である。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子を一部のみに形成しているが、図８に示し上述した分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。ただし、回折格子を共振器内に周期的に形成している（サンプル回折格子という）ことから複数の反射ピークができるため、単一モード性を向上させる必要がある。
【０００９】
そこで、特許文献１においては、分布活性ＤＦＢレーザの構造として、繰り返し周期の異なる二つのレーザを同一基板上に直列に集積するとともに、各々の活性導波路層に回折格子を形成した構造も開示されている。複数の反射ピークの間隔は、回折格子のサンプル周期によるので、この周期を共振器の左右で変えることにより、反射メインピーク以外の反射ピークが共振器の左右で重ならないようにし、単一モード性を向上させている。
【００１０】
更に、特許文献２では、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期を変えた２つのレーザを縦続接続するとともに共振器全体にわたり回折格子を形成した構造や、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続した構造、および、空間的ホールバーニングを抑えるために、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続し、接続した各レーザ部の間に位相シフトを入れた構造などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３２３７７３３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３４６６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 1, Jan 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
分布活性ＤＦＢレーザの基本的な動作原理、および従来例の動作原理については、非特許文献1、特許文献１、特許文献２に詳細に記載されている。しかしながら、いずれも理想的な構造を元に述べられており、作製上の問題点については指摘されていない。
【００１４】
分布活性ＤＦＢレーザでは、活性導波路層と非活性導波路層が繰り返し形成されている。理想的には活性導波路層および非活性導波路層は共振方向に沿って屈折率が均一であることが望ましい。活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し構造は、例えば、活性導波路層が形成された基板を周期的に除去した上で、除去領域にのみ選択的に非活性導波路層を有機金属気相成長法などにより再成長することによって形成される。選択成長はＳｉＯ２などをマスクとして行われる。理想的には層厚や組成が均一になることが望ましいものの、実際にはマスク近傍とマスクから離れた箇所とでは成長量や組成が若干異なる。従って、層厚や結晶組成の揺らぎにより共振器方向に沿って各導波路層の屈折率が均一とはならない。選択成長の方法、条件を適切に設定することにより揺らぎを減少させることは可能であるが、完全に無くすことは非常に困難である。そして、このような活性導波路層と非活性導波路層の間のわずかな屈折率揺らぎは、各導波路層の回折格子の位相関係に影響を及ぼし、単一モード特性の劣化や、予期せぬモードホップを引き起こす要因となるおそれがある。
【００１５】
このようなことから本発明は、選択成長時のマスク近傍における屈折率変化の揺らぎに起因する意図しない位相シフトを低減し、特性劣化を防止することを可能とした波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも２以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記第一の導波路層は利得を有し且つ回折格子が形成され、前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成され、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層とが一定の割合で交互に配置されるとともに少なくとも一以上の繰り返し周期を有して複数のレーザ部を構成し、前記レーザ部間に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記第一の導波路層は利得を有するとともに回折格子が形成されて分布帰還型レーザを構成し、前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成されて分布ブラッグ反射器を構成し、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも二以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層に回折格子が形成され、前記回折格子が形成された前記導波路層が前記共振器内部に少なくとも二以上存在し、前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを補正するように、前記回折格子が形成された前記導波路層間に存在する接合面の数ｎに対して相互に隣接する前記回折格子の位相がｎ×ΔΩだけずれるように該回折格子を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る波長可変半導体レーザによれば、選択成長時のマスク近傍における屈折率変化のゆらぎに起因する意図しない位相シフトを解消し、特性劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの上面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波路の作製工程を示す説明図である。
【図４】導波路の接続部の例を示す説明図である。
【図５】本発明の第二の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図６】本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図７】本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザの位相関係を説明する模式図である。
【図８】一般的な分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る波長可変半導体レーザの詳細を説明する。
【００２３】
（第一の実施形態）
以下、図１乃至図４に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第一の実施形態について説明する。
【００２４】
図１は本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波方向に沿った断面を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に、第一のレーザ部Ａ1においては長さＬa1のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1と、活性導波路層１２a1とは組成の異なる長さＬt1のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）１３t1とが交互に周期的に接続されている。また、第二のレーザ部Ａ2においては長さＬa2のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a2と、活性導波路層１２a2とは組成の異なる長さＬt2のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t2とが交互に周期的に接続されている。以下、ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1，１２a2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２、ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t1，１３t2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３と呼称する。
【００２５】
これらＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２及びＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３の上と、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子１５が形成されている。ＩｎＰ上部クラッド１４の上には、オーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を設け、その上にそれぞれ活性導波路層１２、非活性導波路層１３に対応するように電極１７，１８を形成している。基板下部に形成した電極１９は共通としているが、基板上部に形成する電極は、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とで分離している。具体的には、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とでコンタクト層１６および電極１７，１８を分離し、さらに、図２に示すように、活性導波路層１２の電極１７同士、非活性導波路層１３の電極１８同士を素子上で短絡している。
【００２６】
さらに、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2とで活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期をＬ1，Ｌ2と変えて直列に接続した構造となっている。さらに、全ての活性導波路層１２と非活性導波路層１３の境界（接合面）付近の回折格子に位相シフト量ΔΩの位相シフト（以下、補正位相シフトという）を入れ、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に補正位相シフトに加えて位相シフト量λ／４の共振器の位相条件を満たすための位相シフトを入れている。以下、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に挿入した位相シフトをレーザ部間位相シフト２１、これ以外の部分に挿入した位相シフトを導波路層間位相シフト２０と呼称する。なお、位相シフト量ΔΩは各導波路層の接続面近辺に生じる結晶成長時の層厚や組成の揺らぎにより生じる屈折率変動に起因する位相シフト分を打ち消すように決定するものとする。
【００２７】
ここで、活性導波路層１２にバンドギャップ波長１．５５μmのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路１３はそれより短波のバンドギャップ波長、たとえば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。
【００２８】
また、活性導波路層１２および非活性導波路層１３はバルク材料でなくともよく、たとえば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに量子ドットや量子細線などの低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。
【００２９】
回折格子１５は屈折率が周期的に変動していることが重要であるため、回折格子１５を形成する位置は、活性導波路層１２や非活性導波路層１３と上部クラッド１４との間では無くともよく、例えば、各導波路層１２，１３と下部クラッド１１との間や、各層から離れた位置に形成しても良い。
【００３０】
本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層１２と非活性導波路層１３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。
【００３１】
本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、図示はしないが、電流Ｉａが活性導波路層１２に効率よく注入されるように、導波路の両脇に半絶縁性材料であるＦｅをドープしたＩｎＰを埋め込み再成長した埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）としている。ＦｅドープＩｎＰの代わりに、ｐ型ｎ型の半導体を交互に重ねることにより電流ブロック層としてもよい。また、Ｆｅの代わりにＲｕをドーピングして高抵抗としたＩｎＰ層としてもよい。
【００３２】
また、導波路構造は、本実施形態では埋め込みヘテロ構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。
第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2では、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期Ｌは、それぞれＬ1,Ｌ2と異なるが、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合（Ｌa1／Ｌt1、および、Ｌa2／Ｌt2）は同じである。本実施形態では、この割合を1／２とした。また、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間にレーザ部間位相シフト２１を入れて、回折格子１５の位相を１／４波長＋ΔΩ変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ1での反射波と第二のレーザ部Ａ2での反射波の位相を発振条件を満たすように整合させている。
【００３３】
また、上述したように、活性導波路層１２、および波長制御用非活性導波路層１３の上部に設けられる電極１７，１８は互いに分離されており、図２に示すように、活性導波路層１２上の電極１７同士、および非活性導波路層１３上の電極１８同士は素子上で接続されている。このように素子上で各々の領域の電極１７，１８同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流Ｉa又は波長制御電流Ｉtを注入することができる。
【００３４】
続いて、本実施形態に係る波長可変半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。最初に有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＣＶＤ）法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に活性導波路層１２と非活性導波路層１３とを作製する。具体的には、図３のように行う。まず、活性導波路層１２が形成された基板上にＳｉＯ２などのエッチングマスク２２を形成する（図３（ａ））。続いて、エッチングマスク２２を用いて活性導波路層１２を島状に加工する（図３（ｂ））。そして、エッチングマスク２２をそのままにして非活性導波路層１３を再成長することにより、活性導波路層１２と非活性導波路層１３が接続される（図３（ｃ））。
【００３５】
ところで、図３では、模式図のため、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の層厚などは均一に描かれている。しかし、実際には、エッチングマスク２２を用いた選択成長の場合、エッチングマスク２２上の材料がエッチングマスク２２のない場所に移動してエッチングマスク２２の無い箇所のみに成長することになるので、エッチングマスク２２近傍のみ成長レートが変わる。また、結晶面によって成長レートが異なることなどにより、やはりエッチングした面の形状によりエッチングマスク２２近傍の組成や厚さが均一にはならない。
【００３６】
このことを更に説明すると、図４（ａ）は理想的な導波路の接続面であるが、実際には図４（ｂ）のように接続面近傍の厚さ等が均一では無くなるため、導波路接続面近傍で屈折率のゆらぎが生じる。ここで、図４（ｂ）は一例であり、層厚や組成の揺らぎは、エッチング形状や成長条件により異なる。また、厚くなる場所や薄くなる場所も生じる。通常、導波路のコア層はクラッドに比べて屈折率の高い材料を用いる。
【００３７】
図４（ｂ）の例では、接続面近傍で非活性導波路層１３が厚くなっている。若干薄くなっている箇所もあるものの、平均すると厚くなっているため、図４（ａ）の理想的な場合に比べて、接続面近傍の等価屈折率は高くなっている。従って、活性導波路層１２から非活性導波路層１３にかけて均一に回折格子１５を形成したとしても、接続面近傍の光学長が長くなっているために等価的に位相シフト量−ΔΩの位相シフトが入っているのと同等となる。
【００３８】
接続面近傍の平均的な等価屈折率が理想的な場合と比べて変化している量をΔｎとして、屈折率が理想的な場合と比べて変化している領域をΔＬとすると、等価的な位相シフトの位相シフト量−ΔΩは、
−ΔΩ＝Δｎ×ΔＬ
と考えることができる。ただし、位相シフトの符号は空間の定義により逆転することもある。更に、より詳細には、ΔＬを更に微細化してδＬと考え、層厚の揺らぎによる屈折率変化δｎとの積をΔＬの領域で積分すればよい。
【００３９】
その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子１５のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い回折格子１５を形成する。このとき、回折格子１５には、図１に示すように各導波路層１２，１３の間にΔΩの導波路層間位相シフト２０、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に１／４＋ΔΩのレーザ部間位相シフト２１を挿入する。
【００４０】
位相シフト量ΔΩは前述の選択成長時に生じる層厚や組成の揺らぎによる屈折率変化を補正するように決定する。これは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで観察することにより層厚などの揺らぎを確認することが可能であるため、テスト成長などを行い、断面をSEM観察した上で、層厚揺らぎなどを位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトとして計算し、実際のレーザ作製時には、これを打ち消すために回折格子の位相シフト量ΔΩを決めるという方法で作製することができる。これにより、層厚揺らぎなどにより生じた位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを、回折格子１５に挿入した位相シフト量ΔΩの補正位相シフトにより打ち消すことが可能となる。
【００４１】
層厚などが揺らぐ箇所は、マスクの厚さや成長条件などにもよるが、おおむねマスクから１０マイクロメートル以内の変動が顕著であるため、マスク近傍から１０マイクロメートルの間の厚さをＳＥＭ観察すればよい。活性導波路層をドライエッチングでエッチング後にウエットエッチングなどを用いてエッチングマスク下部にもサイドエッチングが入るようにした場合には、その箇所も含めて考えればよい。
【００４２】
また、微小な領域のフォトルミネッセンス（ＰＬ）を計測することができる顕微ＰＬ装置などを用いれば組成変動も知ることができる。ただし、一般的な成長方法を用いた場合は、組成揺らぎも生じているが、層厚の揺らぎの方が屈折率への影響が大きい。従って、簡易的には、断面のＳＥＭ観察のみを行い、層厚変化から屈折率変化を算出するようにすることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、回折格子１５は活性導波路層１２、非活性導波路層１３の両者ともに同一周期としている。
【００４４】
ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にＦｅをドープしたＩｎＰ電流ブロック層を成長する。そして、各電極１７，１８を形成した後、活性層駆動電極１７と波長制御電極１８とを電気的に分離するために、それらの電極１７，１８間のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を除去する。さらに各導波路層１２，１３を分離する場合は、分離溝を形成するなどしてもよい。
【００４５】
半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子１５の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。
【００４６】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2では同じ結合係数の回折格子１５を用いているので、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ2の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ1からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ2からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ1側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数は６に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。
【００４７】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1の繰り返し周期を５７μｍとし、第二のレーザ部Ａ2の繰り返し周期を７２μｍとしている。また回折格子１５の結合係数は２５ｃｍ-1である。
【００４８】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の回折格子１５の間に、選択成長時の屈折率変動を補正するための位相シフト量ΔΩの位相シフトに加えて、１／４波長のレーザ部間位相シフト２１を入れている。１／４波長シフトは通常、理想的な状態、すなわち、活性導波路層１２及び非活性導波路層１３の屈折率が共振方向に沿って均一である場合でも、回折格子１５中に共振器の位相条件を満たすために挿入される。これにより最も位相整合がとれる条件となるが、必ずしも１／４波長シフトでなくともよく、例えば１／８波長シフトや３／８波長シフトとすることで、位相条件はずれることになるが、その分、位相シフト領域への光の集中を抑制することが可能となる。位相シフト領域への光の集中は、キャリア密度の低下を招き屈折率を上昇させる。これは、ホールバーニングと呼ばれ、高出力時にモードが安定しないなどの問題を生じさせるおそれがある。つまり、１／４波長シフトからずらした波長シフトとすれば、ホールバーニングを抑制し、モードを安定化させることが可能となる。
【００４９】
また、理想的な状態でも回折格子１５に挿入される、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（本実施形態では１／４波長シフト）の位置は、必ずしも第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間である必要はなく、共振器中央の全共振器長の約１／３程度の範囲内に位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。共振器の位相条件を満たすための位相シフトを導波路接合面近傍としない場合には、この位相シフトと、接合面の揺らぎに起因して生じる等価的な位相シフトを補償するためのΔΩの位相シフトは別々に挿入すればよい。
【００５０】
上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を１：２としている。非活性導波路１３の割合を大きくすることで、平均の等価屈折率変化を大きくすることができるので、波長変化量を大きくすることができる。しかしながら、非活性導波路層１３の割合を大きくすると必然的に活性導波路層１２の割合が小さくなってしまい、レーザ発振に必要な利得を得ることが困難になるおそれがある。したがって、活性層の層数などの設計や導波路の損失に応じて割合を調整することが必要であるが、本発明の原理は、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を同一とすることであるため、その割合は要求に応じて変更可能である。
【００５１】
上述したように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザでは、活性導波路層１２と非活性導波路層１３を交互に周期的に配置する点が異なるだけで、通常の波長可変半導体レーザの作製法を用いて容易に作製することができる。また、回折格子１５に、ΔΩの導波路層間位相シフト２０、λ／４＋ΔΩのレーザ部間位相シフト２１を挿入することは、電子ビーム描画のパターンを変更するだけで実現可能である。回折格子１５は電子ビーム描画により周期的にラインアンドスペースを繰り返すことにより実現できるが、導波路層間位相シフト２０，２１は、導波路層間位相シフト２０，２１を入れたい箇所でラインまたはスペースの位置を所望の量ずらすことにより実現できる。
【００５２】
また、導波路層間位相シフト２０，２１は必ずしも活性導波路１２と非活性導波路１３の接続面の直上である必要は無い。実際には、接続面近傍から１０μｍ程度の範囲の層厚や組成変動が顕著であるので、おおよそその範囲内に導波路層間位相シフト２０，２１を設ければ効果が顕著となる。
【００５３】
本実施形態では、全ての領域にわたって同一周期の回折格子１５としているが、本発明の本質は、選択成長によって理想状態からずれた屈折率変動による等価的な位相シフトを、回折格子１５に挿入する導波路層間位相シフト２０，２１によって補正することにあるので、それぞれの領域での回折格子１５の周期や結合係数が異なっていても本発明の原理を適用可能である。
【００５４】
また、通常のｐｎダイオード型の層構造のため、半導体増幅器や変調器などとの集積も容易に実施することができるため、高性能多機能素子の要素となる光源素子として使用可能である。
【００５５】
（第二の実施形態）
以下、図５に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第二の実施形態について説明する。
本発明は異なる導波路を選択成長により突合せ接合（バットジョイント）する際に、選択成長マスク近傍で再成長する層の層厚や組成の乱れが生じ、屈折率が変動することに起因する等価的な位相シフトを、導波路上に形成する回折格子に位相シフトを入れることで補償することを特徴としている。すなわち、本発明は、選択成長による異なる種類の導波路の接合面を有し、異なる種類の導波路上に回折格子が形成されている素子に適用できる。そこで、本実施形態では、分布活性ＤＦＢレーザについて説明した第一の実施形態とは異なり、回折格子が形成された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と利得と回折格子を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザが接続された構造を例として説明する。
【００５６】
図５は本実施例に係る波長可変半導体レーザを説明する図である。図５に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、下部クラッド層３１上に、非活性導波路層３２と、活性導波路層３３とが接続されている。これら非活性導波路層３２及び活性導波路層３３の上と、上部クラッド層３４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子３５が形成されている。上部クラッド層３４の上には、電極３６，３７が形成されている。基板下部には共通の電極３８を形成しているが、上部は、非活性導波路層３２の領域と活性導波路層３３の領域とで電極３６，３７を分離し、さらに、非活性導波路層３２の電極３６同士、活性導波路層３３の電極３７同士は素子上で短絡されている。
【００５７】
すなわち、本実施形態に係る波長可変半導体レーザは、回折格子３５ａが形成された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）Ｂ1と、利得及び回折格子３５ｂを有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザＢ2が接続された構造となっている。これは分布反射型（ＤＲ）レーザとも呼ばれる。このように、分布ブラッグ反射器Ｂ1、分布帰還型レーザＢ2にそれぞれ回折格子３５ａ，３５ｂが形成されており、分布ブラッグ反射器Ｂ1の回折格子３５ａと分布帰還型レーザＢ2の回折格子３５ｂとの位相関係により安定度合が決まり、分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2の間に位相シフト３９を入れることによって位相関係を決定している。
【００５８】
ここで、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいて、非活性導波路層３２と活性導波路層３３との境界付近の回折格子３５に挿入する位相シフト３９を、λ／４シフトに位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを加えた位相シフトとしている。位相シフト量ΔΩは各導波路層の接続面近辺に生じる結晶成長時の層厚や組成の揺らぎにより生じる屈折率変動に起因する等価的な位相シフト分を打ち消すように決定する。
【００５９】
分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2の接続構造は、第一の実施形態で説明したように、たとえば、下部クラッド層３１上に分布帰還型レーザＢ2の活性導波路層３３を成長した基板の一部をＳｉＯ２をマスクとしてエッチングし、そのＳｉＯ２マスクを残したまま分布ブラッグ反射器Ｂ1の非活性導波路層３２を選択成長する。その後、回折格子３５を形成して上部クラッド層３４を成長することにより作製できる。
【００６０】
しかしながら、やはり第一の実施形態と同様に、再成長時の層厚や組成の揺らぎによって屈折率が設計よりもずれてしまい、等価的な位相シフトが挿入されてしまう場合がある。したがって、これを回避するために分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2との間に、層厚などの乱れに起因する等価的な位相シフトの無い理想的な接続構造の場合に必要な共振器の位相条件を満たすための位相シフトに、層厚などの乱れに起因する等価的な位相シフトを相殺するΔΩの補正位相シフトを加えた位相シフト３９を挿入する。
【００６１】
ここで、本実施形態では、理想的な接続構造の場合に必要な共振器の位相条件を満たすための位相シフトを１／４波長として、分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2との間に、λ／４＋ΔΩの位相シフト３９を導入している。これにより、理想的な設計に近い安定した動作を得ることができるようになる。
【００６２】
なお、本実施形態でも、第一の実施形態同様に、材料やレーザの構造によらず、本発明を適用可能である。また、共振器の位相条件を満たすための位相シフトと補正位相シフトは独立に決定可能であり、共振器の位相条件を満たすための位相シフトも１／４波長に限らない。
【００６３】
（第三の実施形態）
以下、図６及び図７に基づいて本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザについて説明する。図６は第三の実施形態を説明する図である。
【００６４】
第一の実施形態では、共振器全体にわたって回折格子１５を形成した分布活性ＤＦＢレーザを例に説明したのに対し、本実施形態では、回折格子を形成する箇所を周期的かつ部分的に限定したサンプル回折格子を有する分布活性ＤＦＢレーザを例として説明する。
以下、図１ないし図４に示し第一の実施形態において説明した部材と同一の部材については同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明するものとする。
【００６５】
図６に示すように、本実施形態では、活性導波路層２３に回折格子２５があり、非活性導波路層２４には回折格子がない構造となっている。非活性導波路層２４には回折格子がないため、第一の実施形態のように、活性導波路層２３と非活性導波路層２４との位相関係を決めることはできないが、この場合、活性導波路層２３同士の回折格子２５の位相関係が重要となる。
【００６６】
つまり、例えば、本実施形態においては、活性導波路層２３a11に続いて非活性導波路層２４t1を伝搬した光が、次の活性導波路層２３a12に入ることとなる。そのため、非活性導波路層２４t1の光学長によって、活性導波路層２３a11と活性導波路層２３a12との回折格子２５の位相関係が決まるということになる。これは、非活性導波路層２４が活性導波路層２３に形成された回折格子２５の位相シフトとなると考えても良い。
【００６７】
図７は非活性導波路層２４が活性導波路層２３に形成された回折格子２５の位相シフトとなることを説明する図である。簡単に説明するため、ここでは、活性導波路層２３と非活性導波路層２４の平均的屈折率が等しいものとして説明する。
【００６８】
活性導波路層２３には回折格子２５があり、非活性導波路層２４には回折格子が無い。図７では、左側の活性導波路層２３a11の回折格子２５a11が非活性導波路層２４t1にまで連続していると仮定した場合の回折格子が点線で書かれており、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいて、この点線と右側の活性導波路層２３a12の回折格子２５a12とでは位相が一致していないことが分かる。つまり、隣接する活性導波路層２３の回折格子２５の位相が相互に連続しない構成とすることにより、隣接する活性導波路層２３の回折格子２５間に位相シフトが入っているのと同様の作用効果を得ることができる。
【００６９】
なお、図７では、活性導波路層２３と非活性導波路層２４の平均的屈折率が一致しているとして説明したが、屈折率が異なる場合は、実長ではなく屈折率と長さの積で表せる光学長を元に算出すればよい。
【００７０】
本実施形態に係る波長可変半導体レーザは、非活性導波路層２４を挟んで隣接する活性導波路層２３の位相関係を理想状態に近づければ安定動作することになる。したがって、活性導波路層２３に対して非活性導波路層２４を選択成長する際の層厚や組成の乱れによって生じる屈折率の変化に起因する等価的な位相シフトを補償するためには、非活性導波路層２４の光学長が接続面２個分の位相シフト、すなわち、２ΔΩとなるようにすればよい。これにより、活性導波路層２３間の位相関係は理想的な状態に近づけることが可能となり、安定動作を得ることができる。
【００７１】
本実施形態では、活性導波路層２３に回折格子２５が形成され、非活性導波路層２４には回折格子が無いが、逆に、非活性導波路層２４に回折格子を形成し、活性導波路層２３に回折格子が無い場合であっても本発明を適用できる。その場合、活性導波路２６と非活性導波路２７を入れ替えて考えれば容易に類推できる。
【００７２】
本実施形態では、活性導波路層２３と非活性導波路層２４が交互に周期的に配置された構造としているが、例えば、回折格子の形成された活性導波路層と第一の非活性導波路層と第二の非活性導波路層の３種類の導波路が交互に繰り返し接続された場合には、回折格子の形成された活性導波路層間の回折格子の位相関係を、活性導波路層間に存在する接合面の数ｎと一つの接合面辺りの等価的な位相シフトΔΩとの積ｎ×ΔΩとすればよい。理想的な状態で必要な位相シフトθがある場合には、θ＋ｎ×ΔΩとなることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、異なる種類の導波路を選択成長により突合せ接合してなる接合面と、少なくとも一種類の導波路上に回折格子が形成された構成を有する波長可変半導体レーザに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００７４】
１１，３１ ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
１２，３２ ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
１３，３３ ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）
１４，３４ ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１５，３５ 回折格子
１６ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１７，３７ 活性層電極
１８，３６ 波長制御電極
１９，３８ 電極
２０ 導波路層間位相シフト
２１ レーザ部間位相シフト
２２ エッチングマスク
３２ ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層
３３ ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
３９ 位相シフト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信における波長多重通信方式では、異なる周波数（波長）の複数のレーザ光を規格で定められた間隔で一つの光ファイバを用いて伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。
【０００３】
通信用の波長可変半導体レーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るために、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子周期Λと光導波路の等価屈折率ｎとから得られるブラッグ波長λBで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）となる。ここで、ブラッグ波長λBと回折格子周期Λ及び光導波路の等価屈折率ｎとの関係式は、
λB＝２ｎΛ （１）
となる。また、分布反射器に利得を持たせて作成した波長可変半導体レーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ぶ。
【０００４】
式（１）から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長λBを変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率ｎの変化により発振波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変半導体レーザとしては、均一な回折格子の分布反射器を用いた分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や、周期的に回折格子を設けるなどの方法で複数の反射ピークをもつ分布反射器を用いたＳＧ(Sampled Grating)-ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating)-ＤＢＲレーザなどが知られている。
【０００５】
また、連続的に波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザとしては、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ-ＤＦＢレーザ）がある。図８は従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本的な構造を示す断面図である。この分布活性ＤＦＢレーザは、図８に示すように、下部クラッド層１上に、長さＬaの活性導波路層２と、活性導波路層２とは組成の異なる長さＬtの非活性導波路層（波長制御層）３が交互に周期的に接続されている。これら活性導波路層２及び非活性導波路層３の上と、上部クラッド層４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子５が形成されている。上部クラッド４の上には、それぞれ活性導波路層２、非活性導波路層３に対応するように電極７，８が形成されている。基板下部に共通の電極９を形成する一方、基板上部に形成される電極７，８は、活性導波路層２の領域と非活性導波路層３の領域とで分離されている。なお、活性導波路層２の電極７同士、非活性導波路層３の電極８同士は素子上で短絡されている。
【０００６】
このように、分布活性ＤＦＢレーザは光の伝播方向に沿って活性導波路層２と非活性導波路層３が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層２への電流Ｉaの注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路層２，３には回折格子５が形成されており、回折格子５の周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層３への電流Ｉtの注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層３の回折格子５の光学的な周期は変化する。非活性導波路層３の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性導波路層２の光の伝播方向に沿った活性領域長をＬa、非活性導波路層３の光の伝播方向に沿った波長制御領域長をＬtとすれば、繰り返し構造の１周期の長さＬはＬt＋Ｌaとなり、共振縦モード波長λrの変化の割合Δλr／λrは、
Δλr ／λr ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ） （２）
となる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長λsの変化の割合Δλs ／λs は、
Δλs ／λs ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ） （３）
となる。式（２），式（３）より、反射ピーク波長λsと共振縦モード波長λrとは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。ただし、図８の構造の場合、連続的に同一周期で回折格子５が形成されているため、もともと発振の位相条件を満たす波長が反射ピーク波長とはずれており、単一モード性が悪い。単一モード特性を高めるためには、共振器の中央部付近に、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（λ／４）を入れるなどする必要がある。
【０００８】
特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザも、下部クラッド上に、活性導波路層と非活性導波路層が交互に周期的に縦続接続されたものであり、それらの上に上部クラッドが形成されて、その上部クラッド上に、活性導波路層、非活性導波路層に対応する電極が形成されると共に、下部クラッドの下部に共通の電極が形成された構造である。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子を一部のみに形成しているが、図８に示し上述した分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。ただし、回折格子を共振器内に周期的に形成している（サンプル回折格子という）ことから複数の反射ピークができるため、単一モード性を向上させる必要がある。
【０００９】
そこで、特許文献１においては、分布活性ＤＦＢレーザの構造として、繰り返し周期の異なる二つのレーザを同一基板上に直列に集積するとともに、各々の活性導波路層に回折格子を形成した構造も開示されている。複数の反射ピークの間隔は、回折格子のサンプル周期によるので、この周期を共振器の左右で変えることにより、反射メインピーク以外の反射ピークが共振器の左右で重ならないようにし、単一モード性を向上させている。
【００１０】
更に、特許文献２では、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期を変えた２つのレーザを縦続接続するとともに共振器全体にわたり回折格子を形成した構造や、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続した構造、および、空間的ホールバーニングを抑えるために、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続し、接続した各レーザ部の間に位相シフトを入れた構造などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３２３７７３３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３４６６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 1, Jan 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
分布活性ＤＦＢレーザの基本的な動作原理、および従来例の動作原理については、非特許文献1、特許文献１、特許文献２に詳細に記載されている。しかしながら、いずれも理想的な構造を元に述べられており、作製上の問題点については指摘されていない。
【００１４】
分布活性ＤＦＢレーザでは、活性導波路層と非活性導波路層が繰り返し形成されている。理想的には活性導波路層および非活性導波路層は共振方向に沿って屈折率が均一であることが望ましい。活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し構造は、例えば、活性導波路層が形成された基板を周期的に除去した上で、除去領域にのみ選択的に非活性導波路層を有機金属気相成長法などにより再成長することによって形成される。選択成長はＳｉＯ２などをマスクとして行われる。理想的には層厚や組成が均一になることが望ましいものの、実際にはマスク近傍とマスクから離れた箇所とでは成長量や組成が若干異なる。従って、層厚や結晶組成の揺らぎにより共振器方向に沿って各導波路層の屈折率が均一とはならない。選択成長の方法、条件を適切に設定することにより揺らぎを減少させることは可能であるが、完全に無くすことは非常に困難である。そして、このような活性導波路層と非活性導波路層の間のわずかな屈折率揺らぎは、各導波路層の回折格子の位相関係に影響を及ぼし、単一モード特性の劣化や、予期せぬモードホップを引き起こす要因となるおそれがある。
【００１５】
このようなことから本発明は、選択成長時のマスク近傍における屈折率変化の揺らぎに起因する意図しない位相シフトを低減し、特性劣化を防止することを可能とした波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも２以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記第一の導波路層は利得を有し且つ回折格子が形成され、前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成され、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層とが一定の割合で交互に配置されるとともに少なくとも一以上の繰り返し周期を有して複数のレーザ部を構成し、前記レーザ部間に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記第一の導波路層は利得を有するとともに回折格子が形成されて分布帰還型レーザを構成し、前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成されて分布ブラッグ反射器を構成し、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入したことを特徴とする。
【００１９】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも二以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層に回折格子が形成され、前記回折格子が形成された前記導波路層が前記共振器内部に少なくとも二以上存在し、前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを補正するように、前記回折格子が形成された前記導波路層間に存在する接合面の数ｎに対して相互に隣接する前記回折格子の位相がｎ×ΔΩだけずれるように該回折格子を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る波長可変半導体レーザによれば、選択成長時のマスク近傍における屈折率変化のゆらぎに起因する意図しない位相シフトを解消し、特性劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの上面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波路の作製工程を示す説明図である。
【図４】導波路の接続部の例を示す説明図である。
【図５】本発明の第二の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図６】本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図７】本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザの位相関係を説明する模式図である。
【図８】一般的な分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る波長可変半導体レーザの詳細を説明する。
【００２３】
（第一の実施形態）
以下、図１乃至図４に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第一の実施形態について説明する。
【００２４】
図１は本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波方向に沿った断面を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に、第一のレーザ部Ａ1においては長さＬa1のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1と、活性導波路層１２a1とは組成の異なる長さＬt1のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）１３t1とが交互に周期的に接続されている。また、第二のレーザ部Ａ2においては長さＬa2のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a2と、活性導波路層１２a2とは組成の異なる長さＬt2のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t2とが交互に周期的に接続されている。以下、ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1，１２a2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２、ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t1，１３t2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３と呼称する。
【００２５】
これらＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２及びＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３の上と、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子１５が形成されている。ＩｎＰ上部クラッド１４の上には、オーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を設け、その上にそれぞれ活性導波路層１２、非活性導波路層１３に対応するように電極１７，１８を形成している。基板下部に形成した電極１９は共通としているが、基板上部に形成する電極は、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とで分離している。具体的には、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とでコンタクト層１６および電極１７，１８を分離し、さらに、図２に示すように、活性導波路層１２の電極１７同士、非活性導波路層１３の電極１８同士を素子上で短絡している。
【００２６】
さらに、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2とで活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期をＬ1，Ｌ2と変えて直列に接続した構造となっている。さらに、全ての活性導波路層１２と非活性導波路層１３の境界（接合面）付近の回折格子に位相シフト量ΔΩの位相シフト（以下、補正位相シフトという）を入れ、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に補正位相シフトに加えて位相シフト量λ／４の共振器の位相条件を満たすための位相シフトを入れている。以下、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に挿入した位相シフトをレーザ部間位相シフト２１、これ以外の部分に挿入した位相シフトを導波路層間位相シフト２０と呼称する。なお、位相シフト量ΔΩは各導波路層の接続面近辺に生じる結晶成長時の層厚や組成の揺らぎにより生じる屈折率変動に起因する位相シフト分を打ち消すように決定するものとする。
【００２７】
ここで、活性導波路層１２にバンドギャップ波長１．５５μmのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路１３はそれより短波のバンドギャップ波長、たとえば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。
【００２８】
また、活性導波路層１２および非活性導波路層１３はバルク材料でなくともよく、たとえば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに量子ドットや量子細線などの低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。
【００２９】
回折格子１５は屈折率が周期的に変動していることが重要であるため、回折格子１５を形成する位置は、活性導波路層１２や非活性導波路層１３と上部クラッド１４との間では無くともよく、例えば、各導波路層１２，１３と下部クラッド１１との間や、各層から離れた位置に形成しても良い。
【００３０】
本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層１２と非活性導波路層１３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。
【００３１】
本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、図示はしないが、電流Ｉａが活性導波路層１２に効率よく注入されるように、導波路の両脇に半絶縁性材料であるＦｅをドープしたＩｎＰを埋め込み再成長した埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）としている。ＦｅドープＩｎＰの代わりに、ｐ型ｎ型の半導体を交互に重ねることにより電流ブロック層としてもよい。また、Ｆｅの代わりにＲｕをドーピングして高抵抗としたＩｎＰ層としてもよい。
【００３２】
また、導波路構造は、本実施形態では埋め込みヘテロ構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。
第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2では、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期Ｌは、それぞれＬ1,Ｌ2と異なるが、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合（Ｌa1／Ｌt1、および、Ｌa2／Ｌt2）は同じである。本実施形態では、この割合を1／２とした。また、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間にレーザ部間位相シフト２１を入れて、回折格子１５の位相を１／４波長＋ΔΩ変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ1での反射波と第二のレーザ部Ａ2での反射波の位相を発振条件を満たすように整合させている。
【００３３】
また、上述したように、活性導波路層１２、および波長制御用非活性導波路層１３の上部に設けられる電極１７，１８は互いに分離されており、図２に示すように、活性導波路層１２上の電極１７同士、および非活性導波路層１３上の電極１８同士は素子上で接続されている。このように素子上で各々の領域の電極１７，１８同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流Ｉa又は波長制御電流Ｉtを注入することができる。
【００３４】
続いて、本実施形態に係る波長可変半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。最初に有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＣＶＤ）法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に活性導波路層１２と非活性導波路層１３とを作製する。具体的には、図３のように行う。まず、活性導波路層１２が形成された基板上にＳｉＯ２などのエッチングマスク２２を形成する（図３（ａ））。続いて、エッチングマスク２２を用いて活性導波路層１２を島状に加工する（図３（ｂ））。そして、エッチングマスク２２をそのままにして非活性導波路層１３を再成長することにより、活性導波路層１２と非活性導波路層１３が接続される（図３（ｃ））。
【００３５】
ところで、図３では、模式図のため、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の層厚などは均一に描かれている。しかし、実際には、エッチングマスク２２を用いた選択成長の場合、エッチングマスク２２上の材料がエッチングマスク２２のない場所に移動してエッチングマスク２２の無い箇所のみに成長することになるので、エッチングマスク２２近傍のみ成長レートが変わる。また、結晶面によって成長レートが異なることなどにより、やはりエッチングした面の形状によりエッチングマスク２２近傍の組成や厚さが均一にはならない。
【００３６】
このことを更に説明すると、図４（ａ）は理想的な導波路の接続面であるが、実際には図４（ｂ）のように接続面近傍の厚さ等が均一では無くなるため、導波路接続面近傍で屈折率のゆらぎが生じる。ここで、図４（ｂ）は一例であり、層厚や組成の揺らぎは、エッチング形状や成長条件により異なる。また、厚くなる場所や薄くなる場所も生じる。通常、導波路のコア層はクラッドに比べて屈折率の高い材料を用いる。
【００３７】
図４（ｂ）の例では、接続面近傍で非活性導波路層１３が厚くなっている。若干薄くなっている箇所もあるものの、平均すると厚くなっているため、図４（ａ）の理想的な場合に比べて、接続面近傍の等価屈折率は高くなっている。従って、活性導波路層１２から非活性導波路層１３にかけて均一に回折格子１５を形成したとしても、接続面近傍の光学長が長くなっているために等価的に位相シフト量−ΔΩの位相シフトが入っているのと同等となる。
【００３８】
接続面近傍の平均的な等価屈折率が理想的な場合と比べて変化している量をΔｎとして、屈折率が理想的な場合と比べて変化している領域をΔＬとすると、等価的な位相シフトの位相シフト量−ΔΩは、
−ΔΩ＝Δｎ×ΔＬ
と考えることができる。ただし、位相シフトの符号は空間の定義により逆転することもある。更に、より詳細には、ΔＬを更に微細化してδＬと考え、層厚の揺らぎによる屈折率変化δｎとの積をΔＬの領域で積分すればよい。
【００３９】
その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子１５のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い回折格子１５を形成する。このとき、回折格子１５には、図１に示すように各導波路層１２，１３の間にΔΩの導波路層間位相シフト２０、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に１／４＋ΔΩのレーザ部間位相シフト２１を挿入する。
【００４０】
位相シフト量ΔΩは前述の選択成長時に生じる層厚や組成の揺らぎによる屈折率変化を補正するように決定する。これは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで観察することにより層厚などの揺らぎを確認することが可能であるため、テスト成長などを行い、断面をSEM観察した上で、層厚揺らぎなどを位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトとして計算し、実際のレーザ作製時には、これを打ち消すために回折格子の位相シフト量ΔΩを決めるという方法で作製することができる。これにより、層厚揺らぎなどにより生じた位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを、回折格子１５に挿入した位相シフト量ΔΩの補正位相シフトにより打ち消すことが可能となる。
【００４１】
層厚などが揺らぐ箇所は、マスクの厚さや成長条件などにもよるが、おおむねマスクから１０マイクロメートル以内の変動が顕著であるため、マスク近傍から１０マイクロメートルの間の厚さをＳＥＭ観察すればよい。活性導波路層をドライエッチングでエッチング後にウエットエッチングなどを用いてエッチングマスク下部にもサイドエッチングが入るようにした場合には、その箇所も含めて考えればよい。
【００４２】
また、微小な領域のフォトルミネッセンス（ＰＬ）を計測することができる顕微ＰＬ装置などを用いれば組成変動も知ることができる。ただし、一般的な成長方法を用いた場合は、組成揺らぎも生じているが、層厚の揺らぎの方が屈折率への影響が大きい。従って、簡易的には、断面のＳＥＭ観察のみを行い、層厚変化から屈折率変化を算出するようにすることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、回折格子１５は活性導波路層１２、非活性導波路層１３の両者ともに同一周期としている。
【００４４】
ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にＦｅをドープしたＩｎＰ電流ブロック層を成長する。そして、各電極１７，１８を形成した後、活性層駆動電極１７と波長制御電極１８とを電気的に分離するために、それらの電極１７，１８間のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を除去する。さらに各導波路層１２，１３を分離する場合は、分離溝を形成するなどしてもよい。
【００４５】
半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子１５の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。
【００４６】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2では同じ結合係数の回折格子１５を用いているので、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ2の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ1からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ2からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ1側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数は６に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。
【００４７】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1の繰り返し周期を５７μｍとし、第二のレーザ部Ａ2の繰り返し周期を７２μｍとしている。また回折格子１５の結合係数は２５ｃｍ-1である。
【００４８】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の回折格子１５の間に、選択成長時の屈折率変動を補正するための位相シフト量ΔΩの位相シフトに加えて、１／４波長のレーザ部間位相シフト２１を入れている。１／４波長シフトは通常、理想的な状態、すなわち、活性導波路層１２及び非活性導波路層１３の屈折率が共振方向に沿って均一である場合でも、回折格子１５中に共振器の位相条件を満たすために挿入される。これにより最も位相整合がとれる条件となるが、必ずしも１／４波長シフトでなくともよく、例えば１／８波長シフトや３／８波長シフトとすることで、位相条件はずれることになるが、その分、位相シフト領域への光の集中を抑制することが可能となる。位相シフト領域への光の集中は、キャリア密度の低下を招き屈折率を上昇させる。これは、ホールバーニングと呼ばれ、高出力時にモードが安定しないなどの問題を生じさせるおそれがある。つまり、１／４波長シフトからずらした波長シフトとすれば、ホールバーニングを抑制し、モードを安定化させることが可能となる。
【００４９】
また、理想的な状態でも回折格子１５に挿入される、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（本実施形態では１／４波長シフト）の位置は、必ずしも第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間である必要はなく、共振器中央の全共振器長の約１／３程度の範囲内に位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。共振器の位相条件を満たすための位相シフトを導波路接合面近傍としない場合には、この位相シフトと、接合面の揺らぎに起因して生じる等価的な位相シフトを補償するためのΔΩの位相シフトは別々に挿入すればよい。
【００５０】
上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を１：２としている。非活性導波路１３の割合を大きくすることで、平均の等価屈折率変化を大きくすることができるので、波長変化量を大きくすることができる。しかしながら、非活性導波路層１３の割合を大きくすると必然的に活性導波路層１２の割合が小さくなってしまい、レーザ発振に必要な利得を得ることが困難になるおそれがある。したがって、活性層の層数などの設計や導波路の損失に応じて割合を調整することが必要であるが、本発明の原理は、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を同一とすることであるため、その割合は要求に応じて変更可能である。
【００５１】
上述したように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザでは、活性導波路層１２と非活性導波路層１３を交互に周期的に配置する点が異なるだけで、通常の波長可変半導体レーザの作製法を用いて容易に作製することができる。また、回折格子１５に、ΔΩの導波路層間位相シフト２０、λ／４＋ΔΩのレーザ部間位相シフト２１を挿入することは、電子ビーム描画のパターンを変更するだけで実現可能である。回折格子１５は電子ビーム描画により周期的にラインアンドスペースを繰り返すことにより実現できるが、導波路層間位相シフト２０，２１は、導波路層間位相シフト２０，２１を入れたい箇所でラインまたはスペースの位置を所望の量ずらすことにより実現できる。
【００５２】
また、導波路層間位相シフト２０，２１は必ずしも活性導波路１２と非活性導波路１３の接続面の直上である必要は無い。実際には、接続面近傍から１０μｍ程度の範囲の層厚や組成変動が顕著であるので、おおよそその範囲内に導波路層間位相シフト２０，２１を設ければ効果が顕著となる。
【００５３】
本実施形態では、全ての領域にわたって同一周期の回折格子１５としているが、本発明の本質は、選択成長によって理想状態からずれた屈折率変動による等価的な位相シフトを、回折格子１５に挿入する導波路層間位相シフト２０，２１によって補正することにあるので、それぞれの領域での回折格子１５の周期や結合係数が異なっていても本発明の原理を適用可能である。
【００５４】
また、通常のｐｎダイオード型の層構造のため、半導体増幅器や変調器などとの集積も容易に実施することができるため、高性能多機能素子の要素となる光源素子として使用可能である。
【００５５】
（第二の実施形態）
以下、図５に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第二の実施形態について説明する。
本発明は異なる導波路を選択成長により突合せ接合（バットジョイント）する際に、選択成長マスク近傍で再成長する層の層厚や組成の乱れが生じ、屈折率が変動することに起因する等価的な位相シフトを、導波路上に形成する回折格子に位相シフトを入れることで補償することを特徴としている。すなわち、本発明は、選択成長による異なる種類の導波路の接合面を有し、異なる種類の導波路上に回折格子が形成されている素子に適用できる。そこで、本実施形態では、分布活性ＤＦＢレーザについて説明した第一の実施形態とは異なり、回折格子が形成された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と利得と回折格子を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザが接続された構造を例として説明する。
【００５６】
図５は本実施例に係る波長可変半導体レーザを説明する図である。図５に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、下部クラッド層３１上に、非活性導波路層３２と、活性導波路層３３とが接続されている。これら非活性導波路層３２及び活性導波路層３３の上と、上部クラッド層３４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子３５が形成されている。上部クラッド層３４の上には、電極３６，３７が形成されている。基板下部には共通の電極３８を形成しているが、上部は、非活性導波路層３２の領域と活性導波路層３３の領域とで電極３６，３７を分離し、さらに、非活性導波路層３２の電極３６同士、活性導波路層３３の電極３７同士は素子上で短絡されている。
【００５７】
すなわち、本実施形態に係る波長可変半導体レーザは、回折格子３５ａが形成された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）Ｂ1と、利得及び回折格子３５ｂを有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザＢ2が接続された構造となっている。これは分布反射型（ＤＲ）レーザとも呼ばれる。このように、分布ブラッグ反射器Ｂ1、分布帰還型レーザＢ2にそれぞれ回折格子３５ａ，３５ｂが形成されており、分布ブラッグ反射器Ｂ1の回折格子３５ａと分布帰還型レーザＢ2の回折格子３５ｂとの位相関係により安定度合が決まり、分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2の間に位相シフト３９を入れることによって位相関係を決定している。
【００５８】
ここで、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいて、非活性導波路層３２と活性導波路層３３との境界付近の回折格子３５に挿入する位相シフト３９を、λ／４シフトに位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを加えた位相シフトとしている。位相シフト量ΔΩは各導波路層の接続面近辺に生じる結晶成長時の層厚や組成の揺らぎにより生じる屈折率変動に起因する等価的な位相シフト分を打ち消すように決定する。
【００５９】
分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2の接続構造は、第一の実施形態で説明したように、たとえば、下部クラッド層３１上に分布帰還型レーザＢ2の活性導波路層３３を成長した基板の一部をＳｉＯ２をマスクとしてエッチングし、そのＳｉＯ２マスクを残したまま分布ブラッグ反射器Ｂ1の非活性導波路層３２を選択成長する。その後、回折格子３５を形成して上部クラッド層３４を成長することにより作製できる。
【００６０】
しかしながら、やはり第一の実施形態と同様に、再成長時の層厚や組成の揺らぎによって屈折率が設計よりもずれてしまい、等価的な位相シフトが挿入されてしまう場合がある。したがって、これを回避するために分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2との間に、層厚などの乱れに起因する等価的な位相シフトの無い理想的な接続構造の場合に必要な共振器の位相条件を満たすための位相シフトに、層厚などの乱れに起因する等価的な位相シフトを相殺するΔΩの補正位相シフトを加えた位相シフト３９を挿入する。
【００６１】
ここで、本実施形態では、理想的な接続構造の場合に必要な共振器の位相条件を満たすための位相シフトを１／４波長として、分布ブラッグ反射器Ｂ1と分布帰還型レーザＢ2との間に、λ／４＋ΔΩの位相シフト３９を導入している。これにより、理想的な設計に近い安定した動作を得ることができるようになる。
【００６２】
なお、本実施形態でも、第一の実施形態同様に、材料やレーザの構造によらず、本発明を適用可能である。また、共振器の位相条件を満たすための位相シフトと補正位相シフトは独立に決定可能であり、共振器の位相条件を満たすための位相シフトも１／４波長に限らない。
【００６３】
（第三の実施形態）
以下、図６及び図７に基づいて本発明の第三の実施形態に係る波長可変半導体レーザについて説明する。図６は第三の実施形態を説明する図である。
【００６４】
第一の実施形態では、共振器全体にわたって回折格子１５を形成した分布活性ＤＦＢレーザを例に説明したのに対し、本実施形態では、回折格子を形成する箇所を周期的かつ部分的に限定したサンプル回折格子を有する分布活性ＤＦＢレーザを例として説明する。
以下、図１ないし図４に示し第一の実施形態において説明した部材と同一の部材については同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明するものとする。
【００６５】
図６に示すように、本実施形態では、活性導波路層２３に回折格子２５があり、非活性導波路層２４には回折格子がない構造となっている。非活性導波路層２４には回折格子がないため、第一の実施形態のように、活性導波路層２３と非活性導波路層２４との位相関係を決めることはできないが、この場合、活性導波路層２３同士の回折格子２５の位相関係が重要となる。
【００６６】
つまり、例えば、本実施形態においては、活性導波路層２３a11に続いて非活性導波路層２４t1を伝搬した光が、次の活性導波路層２３a12に入ることとなる。そのため、非活性導波路層２４t1の光学長によって、活性導波路層２３a11と活性導波路層２３a12との回折格子２５の位相関係が決まるということになる。これは、非活性導波路層２４が活性導波路層２３に形成された回折格子２５の位相シフトとなると考えても良い。
【００６７】
図７は非活性導波路層２４が活性導波路層２３に形成された回折格子２５の位相シフトとなることを説明する図である。簡単に説明するため、ここでは、活性導波路層２３と非活性導波路層２４の平均的屈折率が等しいものとして説明する。
【００６８】
活性導波路層２３には回折格子２５があり、非活性導波路層２４には回折格子が無い。図７では、左側の活性導波路層２３a11の回折格子２５a11が非活性導波路層２４t1にまで連続していると仮定した場合の回折格子が点線で書かれており、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいて、この点線と右側の活性導波路層２３a12の回折格子２５a12とでは位相が一致していないことが分かる。つまり、隣接する活性導波路層２３の回折格子２５の位相が相互に連続しない構成とすることにより、隣接する活性導波路層２３の回折格子２５間に位相シフトが入っているのと同様の作用効果を得ることができる。
【００６９】
なお、図７では、活性導波路層２３と非活性導波路層２４の平均的屈折率が一致しているとして説明したが、屈折率が異なる場合は、実長ではなく屈折率と長さの積で表せる光学長を元に算出すればよい。
【００７０】
本実施形態に係る波長可変半導体レーザは、非活性導波路層２４を挟んで隣接する活性導波路層２３の位相関係を理想状態に近づければ安定動作することになる。したがって、活性導波路層２３に対して非活性導波路層２４を選択成長する際の層厚や組成の乱れによって生じる屈折率の変化に起因する等価的な位相シフトを補償するためには、非活性導波路層２４の光学長が接続面２個分の位相シフト、すなわち、２ΔΩとなるようにすればよい。これにより、活性導波路層２３間の位相関係は理想的な状態に近づけることが可能となり、安定動作を得ることができる。
【００７１】
本実施形態では、活性導波路層２３に回折格子２５が形成され、非活性導波路層２４には回折格子が無いが、逆に、非活性導波路層２４に回折格子を形成し、活性導波路層２３に回折格子が無い場合であっても本発明を適用できる。その場合、活性導波路２６と非活性導波路２７を入れ替えて考えれば容易に類推できる。
【００７２】
本実施形態では、活性導波路層２３と非活性導波路層２４が交互に周期的に配置された構造としているが、例えば、回折格子の形成された活性導波路層と第一の非活性導波路層と第二の非活性導波路層の３種類の導波路が交互に繰り返し接続された場合には、回折格子の形成された活性導波路層間の回折格子の位相関係を、活性導波路層間に存在する接合面の数ｎと一つの接合面辺りの等価的な位相シフトΔΩとの積ｎ×ΔΩとすればよい。理想的な状態で必要な位相シフトθがある場合には、θ＋ｎ×ΔΩとなることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、異なる種類の導波路を選択成長により突合せ接合してなる接合面と、少なくとも一種類の導波路上に回折格子が形成された構成を有する波長可変半導体レーザに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００７４】
１１，３１ ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
１２，３２ ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
１３，３３ ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）
１４，３４ ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１５，３５ 回折格子
１６ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１７，３７ 活性層電極
１８，３６ 波長制御電極
１９，３８ 電極
２０ 導波路層間位相シフト
２１ レーザ部間位相シフト
２２ エッチングマスク
３２ ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層
３３ ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
３９ 位相シフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも２以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、
前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、
前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入した
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記第一の導波路層は利得を有し且つ回折格子が形成され、
前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成され、
前記第一の導波路層と前記第二の導波路層とが一定の割合で交互に配置されるとともに少なくとも一以上の繰り返し周期を有して複数のレーザ部を構成し、
前記レーザ部間に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入した
ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記第一の導波路層は利得を有するとともに回折格子が形成されて分布帰還型レーザを構成し、
前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成されて分布ブラッグ反射器を構成し、
前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入した
ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも二以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層に回折格子が形成され、
前記回折格子が形成された前記導波路層が前記共振器内部に少なくとも二以上存在し、
前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを補正するように、前記回折格子が形成された前記導波路層間に存在する接合面の数ｎに対して相互に隣接する前記回折格子の位相がｎ×ΔΩだけずれるように該回折格子を形成した
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項１】
半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも２以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、
前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、
前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトに対して、前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に位相シフト量ΔΩの補正位相シフトを挿入した
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記第一の導波路層は利得を有し且つ回折格子が形成され、
前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成され、
前記第一の導波路層と前記第二の導波路層とが一定の割合で交互に配置されるとともに少なくとも一以上の繰り返し周期を有して複数のレーザ部を構成し、
前記レーザ部間に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入した
ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記第一の導波路層は利得を有するとともに回折格子が形成されて分布帰還型レーザを構成し、
前記第二の導波路層は利得を有しない一方回折格子が形成されて分布ブラッグ反射器を構成し、
前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との接合面に対応する前記回折格子に、前記補正位相シフトに加えて、前記第一の導波路層及び前記第二の導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に前記共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトを挿入した
ことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
半導体基板上に形成された第一の導波路層の一部をエッチングし、前記第一の導波路層とは組成または層構造が異なる第二の導波路層を選択成長することによって作製された少なくとも二以上の導波路構造を共振器内部に有する波長可変半導体レーザであって、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層が利得を有し、
前記第一の導波路層又は前記第二の導波路層に回折格子が形成され、
前記回折格子が形成された前記導波路層が前記共振器内部に少なくとも二以上存在し、
前記選択成長時に生じる前記第一の導波路層と前記第二の導波路層との間の屈折率変動に起因する位相シフト量−ΔΩの等価的な位相シフトを補正するように、前記回折格子が形成された前記導波路層間に存在する接合面の数ｎに対して相互に隣接する前記回折格子の位相がｎ×ΔΩだけずれるように該回折格子を形成した
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９３４１４（Ｐ２０１３−９３４１４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４０７３（Ｐ２０１１−２３４０７３）
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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